關(guān) 達(dá)，白 銘

(神華包神鐵路集團(tuán)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古包頭 014010)

安全是鐵路運(yùn)輸永恒的主題。在鐵路營(yíng)業(yè)線施工中，要確保行車、人身和施工安全[1]。目前鐵路營(yíng)業(yè)線施工現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)安全管理還是主要靠人盯人和依靠人傳輸安全信息的模式。施工現(xiàn)場(chǎng)安全防護(hù)工作依舊采取人工防護(hù)和制度管理的方式[2]，管理也是主要靠各級(jí)管理者的現(xiàn)場(chǎng)常態(tài)化檢查。現(xiàn)場(chǎng)安全防護(hù)人員通過目視的方法監(jiān)控路用車的靠近，通過對(duì)講電話、信號(hào)旗或信號(hào)燈、慢行揭示牌進(jìn)行安全防護(hù)[3]。既有施工安全防護(hù)主要采用人防為主，缺少安全防護(hù)的智能化[4]手段，容易造成人身安全或者行車安全事故。

國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者和鐵路局就施工安全防護(hù)進(jìn)行了研究，如采用“故障導(dǎo)向安全”的策略，基于機(jī)車在線運(yùn)行位置信息(LKJ 設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng))和施工人員位置信息構(gòu)建了施工安全防護(hù)系統(tǒng)[5]；按照“車對(duì)地、地對(duì)車、人車交互、雙向預(yù)警”的思路，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，開發(fā)了施工安全綜合防護(hù)系統(tǒng)，系統(tǒng)GIS為基礎(chǔ)，承載呼叫中心、軌道車接近預(yù)警系統(tǒng)、施工關(guān)門防護(hù)系統(tǒng)、高鐵通道門智能管理系統(tǒng)、工務(wù)生產(chǎn)管理系統(tǒng)、電務(wù)生產(chǎn)管理系統(tǒng)、供電生產(chǎn)管理系統(tǒng)等功能性系統(tǒng)[6]。上述研究均是在整合既有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過新技術(shù)手段獲取路用車接近信息，但對(duì)于施工防護(hù)人員和防護(hù)設(shè)備管理以及現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化流程管理，并未提出有效解決方法。

本文研發(fā)了基于北斗地基增強(qiáng)高精度定位技術(shù)[7]的智能安全防護(hù)設(shè)備；提出一種鐵路營(yíng)業(yè)線施工安全防護(hù)管理方法和系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了施工現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)前、中、后的全過程標(biāo)準(zhǔn)化、智能化管理；并在施工現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)安全管理方面實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)流程再造和管理創(chuàng)新，有效提升施工安全管理整體水平。

1 系統(tǒng)整體框架

營(yíng)業(yè)線施工智能安全防護(hù)系統(tǒng)主要基于人臉識(shí)別技術(shù)、北斗地基增強(qiáng)高精度定位技術(shù)、移動(dòng)應(yīng)用技術(shù)、GIS技術(shù)等新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)關(guān)鍵人員、智能防護(hù)設(shè)備、路用車、施工作業(yè)流程進(jìn)行精細(xì)化、全過程管理。系統(tǒng)高精度(亞米級(jí))采集路用車、安全防護(hù)設(shè)備、現(xiàn)場(chǎng)關(guān)鍵作業(yè)人員實(shí)時(shí)位置信息，提供車、地、人三方實(shí)時(shí)通信功能；同時(shí)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)流程進(jìn)行智能管控，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化，以達(dá)到確保鐵路施工作業(yè)人身及設(shè)備安全，確保鐵路行車安全的目的。施工智能安全防護(hù)管理系統(tǒng)整體示意如圖1所示。

圖1 智能安全防護(hù)系統(tǒng)整體示意

2 系統(tǒng)流程安全策略

根據(jù)鐵路技術(shù)管理規(guī)程[8]和現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)流程，提出一種鐵路營(yíng)業(yè)線施工安全防護(hù)管理方法和系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了施工現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)前、中、后的全過程標(biāo)準(zhǔn)化、智能化卡控管理[9]，作業(yè)流程設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 智能安全防護(hù)系統(tǒng)作業(yè)流程

2.1 防護(hù)員安全管控

施工現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)中對(duì)施工單位的駐站聯(lián)絡(luò)員、現(xiàn)場(chǎng)防護(hù)員安全管控策略如下。

(1)系統(tǒng)通過人臉識(shí)別技術(shù)[10]核實(shí)到崗防護(hù)員的身份，確保到崗防護(hù)員具有上崗資質(zhì)。

(2)系統(tǒng)通過北斗地基增強(qiáng)高精度定位技術(shù)確認(rèn)駐站聯(lián)絡(luò)員到達(dá)車站行車室，現(xiàn)場(chǎng)防護(hù)員確認(rèn)到達(dá)施工地點(diǎn)要求的防護(hù)位置，實(shí)現(xiàn)安全防護(hù)員到崗登記。

(3)系統(tǒng)在施工過程中實(shí)時(shí)記錄安全防護(hù)員的軌跡，并建立電子圍欄，實(shí)現(xiàn)安全防護(hù)員離崗預(yù)警。

2.2 防護(hù)設(shè)備安全管控

施工現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)中對(duì)《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》(以下簡(jiǎn)稱“技規(guī)”)要求擺放的防護(hù)標(biāo)志/信號(hào)進(jìn)行智能化管理，通過在防護(hù)標(biāo)志/信號(hào)加裝基于北斗地基增強(qiáng)高精度定位技術(shù)的智能安全防護(hù)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)防護(hù)標(biāo)志/信號(hào)智能化和亞米級(jí)高精度定位、數(shù)據(jù)上報(bào)和遠(yuǎn)程控制預(yù)警，具體安全管控策略如下。

(1)系統(tǒng)獲取防護(hù)標(biāo)志/信號(hào)高精度位置。

(2)系統(tǒng)根據(jù)施工地點(diǎn)的端點(diǎn)，計(jì)算防護(hù)距離[11]。

(3)系統(tǒng)根據(jù)施工地點(diǎn)、施工內(nèi)容及防護(hù)距離，判斷是否符合“技規(guī)”要求。如不符合要求，系統(tǒng)提示“技規(guī)”要求防護(hù)距離。

2.3 施工登記安全管控

系統(tǒng)只有在防護(hù)員安全管控和防護(hù)設(shè)備安全管控都符合要求的前提下，才允許施工單位進(jìn)行施工登記，車站值班員才能向調(diào)度申請(qǐng)施工封鎖命令。施工命令下達(dá)后，施工才能正式開始。

2.4 路用車接近安全管控

路用車通過工業(yè)PAD接收調(diào)度施工命令，確定天窗期間運(yùn)行區(qū)間。路用車運(yùn)行時(shí)，PAD上的地圖實(shí)時(shí)顯示路用車的高精度位置和速度，前方施工的防護(hù)設(shè)備位置和現(xiàn)場(chǎng)防護(hù)員的位置。PAD會(huì)根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置的預(yù)警距離和路用車自身運(yùn)行速度[12]，通過推演進(jìn)行聲光提醒和預(yù)警；同時(shí)系統(tǒng)也會(huì)將預(yù)警信息推送給智能防護(hù)設(shè)備相關(guān)關(guān)鍵人員。從而實(shí)現(xiàn)人車交互、雙向預(yù)警安全防護(hù)。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)架構(gòu)包括用戶層、應(yīng)用服務(wù)層、應(yīng)用支撐層、數(shù)據(jù)傳輸層和身份識(shí)別及感知層，描述如下。

(1)用戶層：用戶使用互聯(lián)網(wǎng)(3/4G網(wǎng)絡(luò))、內(nèi)網(wǎng)完成業(yè)務(wù)處理、信息查詢等，用戶包括工區(qū)、工隊(duì)、車站值班室、段技術(shù)室、段調(diào)度室、調(diào)度中心施工室、公司業(yè)務(wù)主管部門、公司主管副總以及外部施工單位施工負(fù)責(zé)人、現(xiàn)場(chǎng)防護(hù)員、駐站防護(hù)員等。

(2)應(yīng)用服務(wù)層：為用戶提供接入服務(wù)，負(fù)責(zé)客戶請(qǐng)求的安全接入，并將請(qǐng)求提交至應(yīng)用支撐層處理，將處理結(jié)果返回客戶。

(3)應(yīng)用支撐層：提供支撐應(yīng)用系統(tǒng)的軟硬件運(yùn)行環(huán)境。包括數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫軟件、中間件、GIS地理信息系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)安全平臺(tái)等。

(4)數(shù)據(jù)傳輸層：負(fù)責(zé)信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸與信息交換。包括NB-IoT、3/4G、VPN和神朔內(nèi)網(wǎng)。

(5)身份識(shí)別及感知層：通過人臉識(shí)別、防護(hù)設(shè)備、手機(jī)、北斗模塊等自動(dòng)采集防護(hù)人員、軌道上機(jī)車和路用車信息。

系統(tǒng)總體技術(shù)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)總體技術(shù)架構(gòu)

3.2 系統(tǒng)功能

鐵路營(yíng)業(yè)線施工智能安全防護(hù)管理系統(tǒng)根據(jù)業(yè)務(wù)流程主要分為施工準(zhǔn)備管理、安全防護(hù)管理、施工完成管理三大功能模塊。這些功能模塊規(guī)范施工現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)流程，實(shí)現(xiàn)了施工現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)過程的精細(xì)化、智能化和全過程管理[13]。施工智能安全防護(hù)管理系統(tǒng)功能如圖4所示。

圖4 智能安全防護(hù)系統(tǒng)功能模塊

3.2.1 施工準(zhǔn)備管理

(1)查看作業(yè)計(jì)劃：施工負(fù)責(zé)人及防護(hù)員查看每天批準(zhǔn)的日計(jì)劃等信息；施工負(fù)責(zé)人派發(fā)日計(jì)劃工單。

(2)施工預(yù)登記：駐站聯(lián)絡(luò)員根據(jù)批準(zhǔn)的施工日計(jì)劃，進(jìn)行施工預(yù)登記。

(3)施工準(zhǔn)備會(huì)：施工前，施工負(fù)責(zé)人組織召開施工準(zhǔn)備會(huì)，對(duì)施工的流程步驟進(jìn)行安排部署，強(qiáng)調(diào)安全重點(diǎn)等，上傳現(xiàn)場(chǎng)開會(huì)圖片及錄入會(huì)議內(nèi)容。

(4)駐站到崗登記：通過人臉識(shí)別和北斗/GPS定位功能，對(duì)駐站聯(lián)絡(luò)員進(jìn)行身份核實(shí)并實(shí)時(shí)獲取駐站防護(hù)員的位置信息[14]，判斷駐站聯(lián)絡(luò)員是否本人到崗，來進(jìn)行到崗登記。登記詳細(xì)內(nèi)容參考車站的駐站到崗登記簿。

(5)上道檢查：上道前檢查施工防護(hù)設(shè)備、人員是否齊全，對(duì)人員進(jìn)行拍照，系統(tǒng)通過人臉識(shí)別技術(shù)及北斗/GPS定位功能，來識(shí)別照片中的上道人數(shù)、上道位置信息、上道時(shí)間等，并將信息通過水印的方式添加到照片上，照片上傳到服務(wù)器保存。

(6)現(xiàn)場(chǎng)防護(hù)員到崗登記：通過人臉識(shí)別和北斗/GPS定位功能，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)防護(hù)員進(jìn)行身份核實(shí)并實(shí)時(shí)獲取現(xiàn)場(chǎng)安全防護(hù)員的位置信息，判斷現(xiàn)場(chǎng)安全防護(hù)員是否本人到達(dá)指定防護(hù)區(qū)域，來進(jìn)行到崗登記。

(7)防護(hù)設(shè)備到位檢查：通過日計(jì)劃的施工地點(diǎn)信息及智能防護(hù)設(shè)備上的高精度北斗/GPS定位功能，來判斷防護(hù)標(biāo)志/信號(hào)是否放置到位，是否超出防護(hù)距離等。

3.2.2 施工安全防護(hù)管理

(1)登記確認(rèn)：通過北斗/GPS定位功能來驗(yàn)證駐站聯(lián)絡(luò)員的位置信息是否在登銷記車站；通過人臉識(shí)別技術(shù)來驗(yàn)證駐站聯(lián)絡(luò)員是不是本人來進(jìn)行登記確認(rèn)。

(2)防護(hù)人員盯控：通過北斗/GPS定位功能，實(shí)時(shí)獲取現(xiàn)場(chǎng)防護(hù)員及駐站聯(lián)絡(luò)員的位置信息，根據(jù)預(yù)設(shè)的電子圍欄判斷現(xiàn)場(chǎng)防護(hù)員及駐站聯(lián)絡(luò)員是否遠(yuǎn)離防護(hù)現(xiàn)場(chǎng)等，并在系統(tǒng)上記錄施工期間防護(hù)員的軌跡信息。

(3)來車預(yù)警：通過采集人員、防護(hù)設(shè)備、路用車的實(shí)時(shí)位置信息并上傳，同時(shí)檢查施工地點(diǎn)防護(hù)區(qū)間是否有路用車靠近[15]。如果有車輛靠近，系統(tǒng)給現(xiàn)場(chǎng)防護(hù)員、駐站聯(lián)絡(luò)員、車站值班員、路用車司機(jī)進(jìn)行同步預(yù)警提醒。

(4)施工超限預(yù)警：通過北斗/GPS定位功能，實(shí)時(shí)獲取現(xiàn)場(chǎng)防護(hù)員及施工負(fù)責(zé)人的位置信息，如超出施工地點(diǎn)范圍，可提醒、預(yù)警現(xiàn)場(chǎng)防護(hù)員、施工負(fù)責(zé)人和車站值班員。

(5)施工超時(shí)預(yù)警：根據(jù)日計(jì)劃中的施工時(shí)間及登銷記時(shí)的施工封鎖命令時(shí)間，提醒現(xiàn)場(chǎng)防護(hù)員、駐站聯(lián)絡(luò)員、值班員施工即將超時(shí)。

(6)施工進(jìn)度確認(rèn)：現(xiàn)場(chǎng)施工負(fù)責(zé)人根據(jù)日計(jì)劃的施工內(nèi)容及步驟，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工的進(jìn)度進(jìn)行確認(rèn)，并且在系統(tǒng)上實(shí)時(shí)顯示此施工的進(jìn)度情況。

(7)施工現(xiàn)場(chǎng)視頻：通過安全防護(hù)設(shè)備上的視頻攝像頭，實(shí)時(shí)上傳現(xiàn)場(chǎng)施工視頻。相關(guān)人員可實(shí)時(shí)操控及查看現(xiàn)場(chǎng)施工視頻，掌握現(xiàn)場(chǎng)施工情況。

3.2.3 施工完成管理

(1)施工銷記：通過北斗/GPS定位功能來驗(yàn)證駐站聯(lián)絡(luò)員的位置信息是否在登銷記車站；通過人臉識(shí)別技術(shù)來驗(yàn)證駐站聯(lián)絡(luò)員是不是本人來進(jìn)行銷記確認(rèn)。

(2)下道檢查：施工完成后，對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行拍照，上傳到服務(wù)器，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)圖片信息，自動(dòng)分析施工現(xiàn)場(chǎng)是否存在異物、防護(hù)設(shè)備及人員是否撤離等；同時(shí)對(duì)下道人員進(jìn)行拍照，系統(tǒng)通過人臉識(shí)別技術(shù)及北斗/GPS定位功能，來識(shí)別照片中的下道人數(shù)、下道位置信息、下道時(shí)間等，將信息通過水印的方式添加到照片上，照片上傳到服務(wù)器保存。同時(shí)通過照片比對(duì)技術(shù)，比對(duì)上道時(shí)的照片與下道時(shí)的照片中的人數(shù)是否相同。

(3)銷記確認(rèn)：通過北斗/GPS定位功能來驗(yàn)證駐站聯(lián)絡(luò)員的位置信息是否在登銷記車站；通過人臉識(shí)別技術(shù)來驗(yàn)證駐站聯(lián)絡(luò)員是不是本人來進(jìn)行銷記確認(rèn)。

(4)駐站離崗登記：登銷記完成后，通過北斗/GPS定位功能，來進(jìn)行離崗登記，系統(tǒng)記錄駐站聯(lián)絡(luò)員的位置及時(shí)間信息等，離崗登記詳細(xì)內(nèi)容參考車站的駐站離崗登記簿。

3.3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用情況

3.3.1 智能安全防護(hù)設(shè)備

國(guó)家北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用的一個(gè)重要組成部分[16]，是將衛(wèi)星定位、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字通信等技術(shù)多方位結(jié)合，采用多基站網(wǎng)絡(luò)RTK 技術(shù)建立的連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)參考站系統(tǒng)(CORS)，為相關(guān)應(yīng)用提供高精度的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的空間位置服務(wù)[17]，以滿足基礎(chǔ)測(cè)繪、交通運(yùn)輸管理、環(huán)保監(jiān)測(cè)、滑坡監(jiān)測(cè)、建筑物沉降變形監(jiān)測(cè)[18]、移動(dòng)目標(biāo)監(jiān)測(cè)應(yīng)用等領(lǐng)域的需要。

本系統(tǒng)研究的智能安全防護(hù)設(shè)備就是采用國(guó)家北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)提供的高精度亞米級(jí)的定位服務(wù)來實(shí)現(xiàn)站場(chǎng)內(nèi)的股道、信號(hào)機(jī)、道岔等相關(guān)設(shè)備和區(qū)間上下行股道[19-20]等施工地點(diǎn)的精準(zhǔn)定位?；驹砣缦拢褐悄馨踩雷o(hù)設(shè)備通過接收衛(wèi)星信號(hào)，獲得所在地點(diǎn)的粗位置數(shù)據(jù)(非精準(zhǔn))，通過互聯(lián)網(wǎng)，將這個(gè)位置數(shù)據(jù)(GGA)上傳到國(guó)家北斗地基增強(qiáng)平臺(tái)，一同上傳的還有Ntrip協(xié)議參數(shù)。平臺(tái)獲得粗位置數(shù)據(jù)后，通過互聯(lián)網(wǎng)下播所在位置的差分?jǐn)?shù)據(jù)。這個(gè)時(shí)候需用到安全防護(hù)設(shè)備自帶的差分解算功能，結(jié)合原始觀測(cè)值和差分?jǐn)?shù)據(jù)，進(jìn)行解算，實(shí)現(xiàn)糾偏，來獲取高精度的位置坐標(biāo)[21]。

本系統(tǒng)研究了兩款智能安全防護(hù)設(shè)備，一款帶有攝像頭，支持4G通訊，支持現(xiàn)場(chǎng)視頻實(shí)時(shí)采集；另一款低功耗，支持GPRS。兩款設(shè)備都內(nèi)置GNSS高精度定位模組和RTK算法，通過國(guó)家北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)提供的加速定位服務(wù)，在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下3～5 s即可獲得高精度定位固定解。同時(shí)支持在無網(wǎng)絡(luò)信號(hào)區(qū)域，待2G信號(hào)恢復(fù)后，定位數(shù)據(jù)自動(dòng)補(bǔ)傳。定位數(shù)據(jù)上傳頻率設(shè)置為在開機(jī)后3 min內(nèi)每20 s一次，以后是每5 min一次，滿足整個(gè)系統(tǒng)及時(shí)性、安全性和可靠性要求。兩款智能設(shè)備具體外觀如圖5所示。

圖5 兩款智能安全防護(hù)設(shè)備

3.3.2 系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

施工智能安全防護(hù)管理系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)采用集中式架構(gòu)，提供網(wǎng)站、手機(jī)APP等多種接入渠道；圍繞微服務(wù)治理體系，依托分布式消息服務(wù)、分布式應(yīng)用部署、數(shù)據(jù)庫集群等中間件，打造“強(qiáng)平臺(tái)，富組件”的集成架構(gòu)應(yīng)用；利用SpringBoot、SpringCloud微服務(wù)架構(gòu)體系形成本系統(tǒng)統(tǒng)一應(yīng)用框架；定義標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)測(cè)試規(guī)范、版本管理規(guī)范；基于統(tǒng)一PaaS平臺(tái)構(gòu)建持續(xù)集成、持續(xù)測(cè)試、持續(xù)發(fā)布、持續(xù)改進(jìn)的自動(dòng)化交付機(jī)制。

3.3.3 系統(tǒng)應(yīng)用情況

系統(tǒng)自2019年12月1日正式在神華包神鐵路集團(tuán)神朔鐵路推廣試運(yùn)行，中間經(jīng)過幾次優(yōu)化調(diào)整，目前完全滿足神朔鐵路營(yíng)業(yè)線施工安全防護(hù)管理的需求，達(dá)到了提質(zhì)增效的預(yù)期效果。部分功能界面如圖6、圖7所示。

圖6 施工安全防護(hù)管理監(jiān)控界面

圖7 駐站聯(lián)絡(luò)員、現(xiàn)場(chǎng)防護(hù)員到崗登記APP界面

4 結(jié)語

(1)本研究創(chuàng)新了一種鐵路施工防護(hù)方法、服務(wù)器和鐵路施工防護(hù)系統(tǒng)(發(fā)明專利公開號(hào)：CN110682941A)；創(chuàng)新了一種自輪運(yùn)轉(zhuǎn)特種設(shè)備的運(yùn)行方法、裝置、設(shè)備和存儲(chǔ)介質(zhì)(發(fā)明專利公開號(hào)：CN111319656A)；研發(fā)了兩款智能安全防護(hù)設(shè)備；實(shí)現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在鐵路施工領(lǐng)域的應(yīng)用創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)流程再造、安全管理創(chuàng)新和應(yīng)用模式創(chuàng)新。

(2)神朔鐵路隧道較多，長(zhǎng)距離隧道內(nèi)部對(duì)北斗定位和數(shù)據(jù)傳輸影響較大，下一步重點(diǎn)研究隧道施工的安全防護(hù)措施和手段，進(jìn)一步增強(qiáng)鐵路施工作業(yè)工作的安全性、可靠性、可控性，提高鐵路施工工作的質(zhì)量，有效降低人員傷亡事故發(fā)生率，保障鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩行蜻\(yùn)營(yíng)。